20.12.2021

Mit Gesteinen das All erforschen

Thorsten Kleine wird neuer Direktor am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung.

Das Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen hat einen neuen Direktor. Der Kosmo­chemiker und Meteoriten­forscher Thorsten Kleine führt die langjährige Tradition der Planeten-, Kometen- und Asteroidenforschung am Institut und die Mitarbeit an internationalen Weltraum­missionen fort, setzt jedoch den Schwerpunkt auf eine neue Forschungs­methode. Im Zentrum stehen dabei hochpräzise Labor­untersuchungen von Meteoriten sowie irdischer und lunarer Gesteins­proben, mit denen sich winzige Unterschiede in der Isotopen­zusammensetzung nachweisen lassen. Dies erlaubt wertvolle Einblicke in die Entstehung und Entwicklung des frühen Sonnensystems, ermöglicht das Datieren wichtiger Ereignisse und hilft zu verstehen, wie unser Sonnensystem mit seiner Vielfalt an Planeten, Monden und kleinen Körpern zu dem Ort wurde, den wir heute kennen. Thorsten Kleine leitet die neue Abteilung für Planeten­wissenschaften zunächst im Nebenamt und ab Februar nächsten Jahres hauptamtlich.

 

Abb.: Thorsten Kleine (Bild: MPS)
Abb.: Thorsten Kleine (Bild: MPS)

„Wir freuen uns außerordentlich, dass wir mit Thorsten Kleine einen international führenden Experten auf dem Gebiet der Kosmochemie gewinnen konnten“, so Laurent Gizon, Geschäftsführender Direktor des MPS. „Die Forschungs­ergebnisse von Thorsten Kleine sind bahnbrechend und haben unseren Blick auf die Entstehung des Sonnensystems grundlegend verändert“, ergänzt er. Thorsten Kleine übernimmt die Abteilung des Anfang 2020 emeritierten Direktors Ulrich Christensen.

„Für mich geht mit der Berufung ein Traum in Erfüllung“, so Thorsten Kleine, der zuletzt eine Professur für Planetologie an der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster innehatte. „Die Planetenforschung am MPS verdankt ihr internationales Ansehen unter anderem den vielen maßgeblichen Beteiligungen an internationalen Weltraum­missionen. Diese Arbeit möchte ich weiterführen und dabei in einen neuen Kontext stellen“, so Kleine. „Die Daten von Weltraummissionen mit den Erkenntnissen von Laboruntersuchungen zu verbinden, birgt ein riesiges Potential“, fügt er hinzu.

Die Arbeiten Thorsten Kleines führen zurück zu den Anfängen des Sonnensystems. In der Geburtsstunde unserer kosmischen Heimat kreiste eine Scheibe aus Staub um die junge Sonne. Die Staubkörnchen ballten sich zunächst zu größeren Brocken zusammen, den Planetesimalen, aus denen später die Planeten entstanden. Wie Thorsten Kleine zeigen konnte, bildeten sich diese Planetesimale anders als lange Zeit angenommen an zwei verschiedenen Orten der Staubscheibe. Die frühe Entstehung des Jupiters könnte für diese Trennung verantwortlich sein. Die beiden Populationen entwickelten sich zunächst unabhängig voneinander. Erst nach mehreren Millionen Jahren führte das weitere Wachstum des Jupiters beide Gruppen wieder zusammen: Planetesimale aus der Region außerhalb der Umlaufbahn des Gasriesen wurden ins innere Sonnensystem gestreut, wo sie sich mit der dort heimischen Population im Asteroidengürtel vermischten. Diese Ergebnisse legen nahe, dass Meteoriten Material enthalten, das ursprünglich weit jenseits der Jupiter-Bahn im äußeren Sonnensystem entstanden ist.

Auch auf die Entwicklung unserer eigenen Heimat, der Erde samt Mond, werfen Thorsten Kleines Arbeiten ein neues Licht. So sammelte unser Planet wohl bereits in seiner Hauptwachstumsphase und somit früher als gedacht wasserreiches Material aus dem äußeren Sonnen­system an. Der Mond ist, wie jüngste Ergebnisse Thorsten Kleines zeigen, mit 4,425 Milliarden Jahren relativ jung. Forscher gehen davon aus, dass er aus dem gewaltigen Zusammenprall der Erde mit einem etwa Mars-großen Körper hervorging. Wie genau dieser Prozess ablief, ist noch immer unklar. Das vergleichsweise junge Alter des Mondes und weitere Forschungs­ergebnisse Thorsten Kleines geben jedoch entscheidende Bedingungen vor, die helfen können, das Modell vom Riesen­einschlag weiter zu verfeinern.

Für seine Untersuchungen holt Thorsten Kleine das Sonnensystem ins Labor – oder zumindest Bruchstücke davon. Sein „Werkzeug“ sind in erster Linie Meteoriten, also Gesteins­brocken, die aus den Tiefen des Sonnensystems von Asteroiden und vom Mars stammen und auf die Erde gestürzt sind. Zudem spielen irdische Gesteinsproben eine Rolle sowie Mondmaterial, das Astronauten im Rahmen der Apollo-Missionen zur Erde gebracht haben. „Solche Gesteins­proben sind Zeugen der Entstehung des Sonnen­systems und der Bildung der Planeten. Sie erzählen in gewisser Weise ihre eigene Geschichte und enthalten Hinweise auf ihren Entstehungsort, ihre Entwicklung und ihr Alter“, so Kleine.

Entscheidend sind winzige Spuren der Isotope seltener chemischer Elemente wie etwa Wolfram, Hafnium, Ruthenium oder Molybdän. Thorsten Kleine konnte zeigen, dass solche seltenen Metallisotope im frühen Sonnensystem nicht gleichmäßig verteilt waren, sondern dass sich die Isotopen­zusammensetzung unter anderem in Abhängigkeit vom Abstand von der Sonne kontinuierlich geändert hat. Für die chemische Zusammen­setzung eines Körpers spielt darüber hinaus sein weiterer Werdegang eine Rolle: Einschläge anderer Körper, das Ausbilden eines metallischen Kerns, „Standortwechsel“ innerhalb des Sonnensystems – all dies hinterlässt seine Spuren und lässt sich durch Isotopenanalysen rekonstruieren.

Zudem bietet die Isotopenanalyse die Möglichkeit, Ereignisse und Entwicklungs­schritte des frühen Sonnensystems zu datieren. Denn einige der betrachteten Isotope sind nicht stabil, sondern zerfallen radioaktiv. Aus dem Mengen­verhältnis, in denen bestimmte Isotope in einer Gesteinsprobe vorliegen, lässt sich somit auf ihr Alter schließen.

Um auszuschließen, dass die untersuchten Gesteinsproben verunreinigt und dadurch Messergebnisse verfälscht werden, müssen die Analysen unter hochreinen Bedingungen in speziell ausgerüsteten Reinräumen stattfinden. Dort wird das Gestein zunächst pulverisiert und chemisch vorbereitet. Mit Hilfe von Massen­spektrometern lassen sich dann Unterschiede in den Mengen­verhältnissen ausgewählter Isotope auf einige Teile pro Millionen genau bestimmen. Entsprechende Labore mit leistungsfähigen Multi­kollektor-Plasma-Massen­spektrometern und Thermionen-Massen­spektrometern sollen in den nächsten Monaten am MPS entstehen. In der Übergangs­phase bis zum Abschluss der Umbauarbeiten werden die Forscher auf speziell ausgerüstete Labor-Container ausweichen.

In den hochspezialisierten Laboren können auch Proben untersucht werden, die unbemannte Raumsonden von Asteroiden, Kometen oder etwa dem Mars entnehmen und zur Erde bringen. Nicht zuletzt solchen Sample Return Missionen gilt das künftige Interesse Thorsten Kleines. So war er Mitglied einer inter­nationalen Gruppe von Forschern, die das wissenschaftliche Potential einer Sample Return Mission zum Mars ausgelotet haben. Zudem gehört er zum Team für die Erstanalyse der Proben, welche die japanische Sonde Hayabusa 2 vom Asteroiden Ryugu genommen hat.

Thorsten Kleine hat an der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster sowohl Geologie und Paläontologie als auch Mineralogie studiert. Nach seiner Promotion in Münster führte ihn ein Marie Curie Fellowship ans Institut für Geochemie und Petrologie der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich. 2009 übernahm er dort eine Assistenz­professur für Isotopen-Geochemie. Im selben Jahr nahm er den Ruf ans Institut für Planetologie der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster an, wo er seitdem lehrte und forschte. Zu den zahlreichen Auszeichnungen und Ehrungen Thorsten Kleines zählen die F. W. Clarke Medaille der Geochemical Society, der Victor Moritz Goldschmidt Preis der Deutschen Mineralogischen Gesellschaft und der Nier Preis der Meteoritical Society. Kleine wurde zudem zum Mitglied der Nordrhein-Westfälischen Akademie der Wissenschaften und der Künste sowie zum Fellow der Meteoritical Society gewählt.

MPS / DE

 

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